Das Quantencomputer-Mikroskop

In der modernen Analytik und hochauflösenden Mikroskopie stellen Elektronenmikroskope Standardinstrumente für die Abbildung subnanometergroßer Strukturen dar. Physikalisch betrachtet bleibt bei konventionellen Systemen jedoch ein wesentlicher Informationsgehalt ungenutzt: Die Detektion beschränkt sich rein auf das Zählen von Elektronen, wodurch sämtliche Quanteninformationen der Teilchen verloren gehen.

Kopplung von Elektronenstrahl und Quantenprozessor

Forschungsteams der TU Wien, der Universität Wien, der JKU Linz sowie der Universität Innsbruck haben ein Konzept entwickelt, um diese Quanteninformationen analytisch nutzbar zu machen. Durch die Kopplung des Elektronenstrahls an einen Quantencomputer eröffnen sich neuartige Ansätze der Informationsverarbeitung. Dies ist insbesondere für strahlenempfindliche Proben von entscheidender Bedeutung, die bei hohen Elektronendosen Schaden nehmen. Der Aufbau des ersten Quantencomputer-Elektronenmikroskops erfolgt derzeit an der TU Wien.

Gezielte Quantenverschränkung zur Dosisreduktion

Die räumliche Auflösung moderner Systeme reicht zwar bis in den atomaren Bereich, erfordert jedoch eine hohe Gesamtelektronenmenge. „Man kann heute winzige Details auf atomarer Größenskala abbilden“, sagt Philipp Haslinger. „Allerdings braucht man dafür eine große Zahl von Elektronen. Und nicht jede Probe kann mit so vielen Elektronen beschossen werden, ohne dabei Schaden zu nehmen. Gerade wenn man biologische Proben abbilden möchte, etwa einzelne Proteine, ist das oft ein Problem.“

Durch eine gesteigerte Informationsausbeute pro Elektron lässt sich die erforderliche Dosis signifikant senken. Die methodische Umsetzung basiert auf der Wechselwirkung des Elektronenstrahls mit gefangenen Ionen entlang der Strahlachse: „Unsere Idee ist, die Elektronen mit einem Quantencomputer zu kombinieren. Wir lassen sie mit Ionen interagieren, die entlang der Bahn des Elektronenstrahls festgehalten werden“, erklärt Elias Pescoller. „Dadurch kann man zum Beispiel eine Quantenverschränkung zwischen dem Elektron und dem Quantencomputer erzeugen. Elektron und Ion teilen sich einen gemeinsamen Quantenzustand.“

Rauschunterdrückung und Signalverstärkung jenseits klassischer Limits

Das verschränkte Ion speichert die Information des Primärelektrons. Nachfolgende Elektronen treten ebenfalls in Wechselwirkung mit dem Quantenprozessor. „Wenn man jedes Mal ganz bestimmte Quantencomputer-Rechenoperationen durchführt, dann kann man die Information mehrerer Elektronen optimal kombinieren, sodass wir ein Signal maximaler Stärke bekommen, obwohl wir nur recht wenige Elektronen verwenden“, sagt Dennis Rätzel. Die zugrundeliegenden Algorithmen entstanden in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Johannes Kofler an der JKU Linz.

Die prinzipielle Bildgebung entspricht weiterhin der klassischen Elektronenmikroskopie, wird jedoch durch die Quantendatenverarbeitung erweitert: „Die Elektronen selbst werden zum Abbilden kleiner Objekte verwendet, genau wie in jedem anderen Elektronenmikroskop. Aber dadurch, dass wir die Quanteninformation dieser Elektronen in einem Quantencomputer verarbeiten, können wir deutlich mehr Information aus diesem Prozess herausbekommen“, sagt Iva Březinová. „Was bisher von zufälligem Rauschen nicht zu unterscheiden gewesen wäre, wird dadurch ein klares Signal.“

Auf diese Weise lassen sich die quantitativen Grenzen der klassischen Statistik überwinden: „Die Quantenphysik überwindet die Grenzen der Statistik, an die man bei klassischen Elektronenmikroskopen gebunden ist“, sagt Elias Pescoller.

Experimenteller Aufbau und Konsortialforschung

Nach dem theoretisch-mathematischen Proof-of-Concept befindet sich der Versuchsaufbau in der Realisierungsphase. Am Zentrum für Elektronenmikroskopie der TU Wien (USTEM) wird ein von der Universität Innsbruck (Gruppe Philipp Schindler) entwickelter Ionen-Quantencomputer in ein Elektronenmikroskop integriert. „Es ist wirklich spannend, dass wir im Rahmen des Exzellenzclusters quantA die Expertise in Quanteninformation, Quantencomputern und Elektronenmikroskopie, die es an den verschiedenen Unis in Österreich gibt, kombinieren können. Dies erlaubt es uns, ein einzigartiges Projekt zu starten“, so Thomas Juffmann.

Quelle

TU Wien (08/2026)